传感器课程设计——霍尔传感器测量磁场

目录

一、课程设计目的与要求 (2)

二、元件介绍 (3)

三、课程设计原理 (6)

3.1霍尔效应 (6)

3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度 (8)

四、课程设计内容 (10)

4.1电路补偿调节 (10)

4.2失调电压调零 (10)

4.3按图4-3接好信号处理电路 (10)

4.4按图4-4接好总测量电路 (11)

4.5数据记录与处理 (12)

4.6数据拟合 (14)

五、成品展示 (16)

六、分析与讨论 (17)

实验所需仪器 (19)

个人总结 (20)

致谢 (21)

参考文献 (22)

参考网址 (22)

一、课程设计目的与要求

1.了解霍尔传感器的工作原理

2.掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法

二、元件介绍

CA3140

CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。

应用范围:

.单电源放大器在汽车和便携式仪表

.采样保持放大器

.长期定时器

.光电仪表

.探测器

.有源滤波器

.比较器

.TTL接口

.所有标准运算放大器的应用

.函数发生器

.音调控制

.电源

.便携式仪器

3503霍尔元件

UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小的变化，密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。

可作为运动探测器，齿传感器和接近探测器，磁驱动机械事件的镜像。作为敏感电磁铁的显示器，就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性能，同时提供隔离污染和电气噪声。

每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器和射极跟随器输出级。

三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个缩影SOT-89/TO243AA表面贴装应用的晶体管封装;后缀“U”是一个微型三引脚塑料SIP，而'UA'是一个三引脚超小型SIP协议。所有器件的额定连续运行温度范围为-20 °C至+85°C。

特点:

2极为敏感

2至23 kHz的平坦的响应Array2低噪声输出

24.5 V至6 V的操作

2磁性优化装箱

图2-4 3503霍尔元件封装及引脚图

三、课程设计原理

3.1霍尔效应

图3-1-1 霍尔效应原理图

把矩形的金属或半导体薄片放在磁感应强度为的磁场中，薄片平面垂直于磁场方向。如图3-1-1所示，在横向方向通以电流I ，那么就会在纵向方向的两端面间出现电位差，这种现象称为霍尔效应，两端的电压差称为霍尔电压，其正负性取决于载流子的类型。(图3-1-1载流子为带负电的电子，是N 型半导体或金属)，这一金属或半导体薄片称为霍尔元件。假设霍尔元件由N 型半导体制成，当霍尔元件上通有电流时，自由电子运动的方向与电流I 的流向相反的。由于洛伦兹力B v e F m ?-=的作用，电子向一侧偏转，在半导体薄片的横向两端面间形成电场

称为霍尔电场H E ，对应的电势差称为霍尔电压U H 。电子在霍尔电场H 中所受的电场力为H H e -=，当电场力与磁场力达到平衡时，有

()()

0=?-+-e e H

B v E H ?-= 若只考虑大小，不考虑方向有 E H =vB

因此霍尔电压

U H =wE H =wvB (1)

根据经典电子理论，霍尔元件上的电流I 与载流子运动的速度v 之间的关系为

I=nevwd (2)

式中n 为单位体积中的自由电子数，w 为霍尔元件纵向宽度，d 为霍尔元件的厚度。由式(1)和式(2)可得

IB K IB d R end IB U H H H =???

??==

(3)

即

I K U B H H

=

(4)

式中

en R H 1

=

是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数，

而K H 称为霍尔元件的灵敏度。在半导体中，电荷密度比金属中低得很多，因而半导体的灵敏度比金属导体大得多，所以半导体中，电荷密度比金属中低得多，因而半导体的灵敏度比金属导体大得多，所以半导体能产生很强的霍尔效应。对于一定的霍尔元件，K H 是一常数，可用实验方法测定。

虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(B=0)时，U H =0，但是实际情况用数字电压表测量并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀、各电极不对称等引起附加电势差，该电势差U HO 称为剩余电压。随着科技的发展，新的集成化(IC)器件不断被研制成功，本课程设计采用AN503型集成霍尔传感器。AN503型集成霍尔传感器有三根引线，分别是：“V+”、“V －”、“V out ”。其中“V+”和“V －”构成“电流输入端”，“V out ”和“V －”构成“电压输出端”。由于AN503型集成霍尔传感器它的工作电流已设定，被称为标准工作电流，使用传感器时，必须使工作电流处于该标准状态。在实验时，只要在磁感应强度为零(B=0)条件下，“V out ”和“V －”之间的电压为2.500V ，实际测得2.53V ，则传感器就处于标准工作状态之下（V+标号为1，V-标号为2，V out 标号为3）。

所以要对霍尔传感器进行电路补偿，使得传感器在0磁场的条件下接入电路输出电压Uo=0V ，则补偿电路如下：

图3-1-2 霍尔传感器的补偿电路

3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度

对于密绕的螺线管，可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈的并排组合，因此一个载流长直螺线管轴线上某点的磁感应强度，可以从对各圆形电流在轴线上该点所产生的磁感应强度进行积分求和得到。根据毕奥—萨伐尔定律，当线圈通以电流IM 时，管内轴线上P 点的磁感应强度为

)cos (cos 21210ββμ-=M P NI B 5

其中μO 为真空磁导率，μO =4π310-7亨利/米，N 为螺线管单位长度的线圈匝数，IM 为线圈的励磁电流，β1、β2分别为点P 到螺线管两端径失与轴线夹角，如图3-2-1所示。

对于一个有限长的螺线管，在距离两端口等远的中心处轴上O 点，

2

21)2()2(2cos D L L +=

β 6

2

22)2()2(2cos D L L +-

=β

7

图3-2-1

式中D 为长直螺线管直径，L 为螺线管长度。 此时，磁感应强度为最大，且等于

2

20222200)

)2

1()21(21)21()21(21(21

D L L NI D L L D L L NI B M

M +=+++=

μμ 8

由于本设计所用的长直螺线管满足L>>D ，则近似认为

M NI B 00μ= 9 在两端口处，

2

21)21(cos D L L

+=

β， 0cos 2=β 10

磁感应强度为最小，且等于

2

201)21(2

1

D L L

NI B M +=

μ 11

同理，由于本设计所用的长直螺线管满足L>>D ，则近似认为

M NI B 0121

μ=

12

由（11）、（12）式可知， 0121B B =

由图3-2-2所示的长直螺线管的磁力线分布可知，其内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系，渐近两端口时，这些直线变为从两端口离散的曲线，说明其内部的磁场在很大一个范围内是近似均匀的，仅在靠近两端口处磁感应强度才显著下降，呈现明显的不均匀性。根据上面理论计

算，长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强度的1/2。

图 3-2-2

四、课程设计内容

4.1电路补偿调节

（1）按图3-1-2接好电路。集成霍尔传感器与5V微机电源相接(正负极请勿接错)。如图标号，1接正极，2接地，3和2与数字电压表+、-相接。

（2）霍尔传感器处于零磁场条件下，传感器工作电源输出电压5V，测得数字电压显示的电压指示值为2.53V，调节传感器补偿电路中的可调电阻，也就是用一外接2.53V的电位差与传感器输出2.53V电位差进行补偿，使数字电压表指示值为0(这时应将数字电压表量程开关拨向mV档)，这时集成霍尔元件便达到了标准化工作状态，即集成霍尔传感补偿电路的输出电压恰好达到U0=0V。

4.2失调电压调零

按图2-3接好电路。调节可调电阻使得运算放大器的输出端电压Uo=0V。

4.3按图4-3接好信号处理电路

图4-3 信号处理电路

4.4按图4-4接好总测量电路

图4-4为螺线管磁场测量电路示意图，即总电路图。

螺线管长度：22.3cm ，平均直径:25mm 。螺线管匝数：2000±20匝。螺线管中央均匀磁场长度：>10.0cm 。

电源组和数字电压表：传感器工作电源5V ，传感器补偿电源5V 。

【注意事项】

1.集成霍尔元件的“V+”和“V －”不能接反，否则将损坏元件。

2.实验中常检查Im=0时，传感器输出电压是否为2.500V 。

3.用mV 档读U'值。当Im=0时，输出端mV 指示应该为0。

5.拆除接线前应先将螺线管工作电流调至为零，再关闭电源。以防止电感电流突变引起高电压。

6.实验完毕后，请逆时针地旋转仪器上的三个调节旋钮，使恢复到起始位置(最小的位置)。

4.5数据记录与处理

（1）三位半数字万用表测量数据

表一正向测量结果

表二反向测量结果

（2）四位半数字万用表测量数据

表三正向测量结果

表四反向测量结果

4.6数据拟合

（1）

y = 165.1745 x – 7.6376线性度el = 0.76%

y = 162.8667x - 5.8409线性度el = 0.71%

（2）

y = 169.0742x + 9.4787线性度el = 0.21%

y = 1681321x - 14.3265线性度el = 0.2%

五、成品展示

1、全图

图 5

2、面包板接线

六、分析与讨论

1、补偿电路的分压电阻的大小对整个电路的输出电压是否有影响？

答：有影响。

现象1：分压电阻用10k的电阻，可调电阻用50k的电阻。虽然此时补偿后传感器的输出电压可基本调至0.而整个电路的输出无法调至0，且数值波动很大。

现象2：分压电阻用0.51k的电阻，可调电阻用1k的电阻。此时补偿后传感器的输出电压可基本调至零，且整个电路的输出电压也可基本调至零，且波动很小。

由此可以得出，输入阻抗的大小对整个电路的输出电压是有影响的，所以补偿电路的分压电阻的大小对整个电路的输出电压是有影响的。

2、失调电压调零电路的电阻对传感器的输出是否有影响？

答：有影响。

现象1：当用1k和0.51k电阻并联时，输出端电压可基本调至0，但是接入电路时，输出电压稳定，且可基本调至0。

现象2：当换成10k电阻时，输出电压也可基本调至0，但是接入电路时输出电压不稳定，且波动较大。

由此可以得出，失调电压调零电路的电阻对传感器的输出是有影响

3、放大电路的放大倍数是否只能取决于一个点的输入输出电压？

答：不能。

放大电路的放大倍数不能只取决于一个点的输入输出电压，而应该用输出变化量与输入变化量的比值来表示。

现象：若用一个点的输入输出电压时，其放大倍数为100倍。不符设计电路计算结果；而用输出变化量与输入变化量的比值来表示时其放大倍数为十倍。符合设计电路计算结果。

4、霍尔元件伸入螺线管的长度对磁场的测量是否有影响？

答：有影响。

螺线管两端的磁场分布不均匀，中间分布均匀，当伸入长度极短时是有影响的，但伸入长度稍微长一些时，保证其再均匀区域内，伸入长度是没有影响的。

5、为什么要求磁场方向垂直于霍尔元件平面，否则测出的霍尔电压将如何变化？

答：霍尔效应要通过测两板间的电势差，如果不垂直的话，正负电荷不能完全聚于两板，所以两板间的电势差偏小，导致霍尔电压偏小。

实验所需仪器

YB1732A 5A直流稳压电源 1个WD 990 A微机电源 1个HT-30B开关电源 1个VC980A+数字万用表 1个VC9807A四位半数字万用表 1个螺线管 1个AN503霍尔元件 1个面包板 1块导线若干CA3140运算放大器 2个1K可调电阻 2个10K可调电阻 1个0.51K电阻 2个100k电阻 5个10K电阻 2个

个人总结

为期两周的课程设计很快进入最后阶段，此次课程设计是我们第一次真正的感受我们的专业课，第一次自己动手设计，制作试验器件。这次课程设计让我学会了很多东西，从学习态度到知识的掌握，再到问题的解决。我们平时所掌握的知识都是分别从各科目课本上学习所得，从来没有系统的把所学知识联系、应用起来，更不曾得知实践与理想值之间的差距。

此次课程设计的课时安排是10天，我们小组用第1天去总体设计电路和搭建基本的电路框架，接下来的3天我们都在不断的修改我们的电路，因为我们发现按照最初的思路制作的电路根本得不到预期的结果。由此，我深刻的体会到课本知识的重要性，有时就是因为忽视了书本上提到的一个条件或者是一句话就会导致结果上很大的偏差。同时，我也懂得了一句话——尽信书则不如无书，书本上的知识是我们理解一门学科的基础也是我们实践的依据，但现实远非课本上的那么多理想情况，没有完全相等的电阻，也没有不漂移的电路。凡事都要在认识的基础上去亲身实践，只有把理论付诸于行动才能得到最好的理解。